基于單片機(jī)的智能照明控制器設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的智能照明控制器設(shè)計(jì)

進(jìn)入二十一世紀(jì)，環(huán)境和能源問題是人類面臨和急需改善的重要問題。對(duì)于環(huán)境的改善和能源的節(jié)約更是國家長期發(fā)展的主要目標(biāo)，節(jié)能減排也是國家的重要號(hào)召。在眾多的能源問題中，用電的緊張和電能的短缺直接影響到我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活的質(zhì)量。近年來，我國高校事業(yè)蓬勃發(fā)展，高校每天的用電量也逐漸成為學(xué)校壓力之一，并且學(xué)校長年采用人工管理模式，而且學(xué)生有無固定座位和教室的特點(diǎn)，導(dǎo)致教室因過度照明引起照明設(shè)施的加速損壞，對(duì)未來學(xué)生的學(xué)習(xí)也產(chǎn)生了影響。從上世紀(jì)開始，國外就開始研究了智能室內(nèi)照明系統(tǒng)，并有了相當(dāng)一部分的成就，擁有低功耗，綠色環(huán)保，大大加強(qiáng)了燈具使用壽命短的問題。而且這對(duì)于我國的高校目前教室數(shù)目龐大的現(xiàn)狀，應(yīng)用此智能照明系統(tǒng)，可以大大的降低高校的用電需求量，從而達(dá)到節(jié)約電的目的。

基于這一理念從節(jié)能減排出發(fā)設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的教室燈光智能控制系統(tǒng)。此設(shè)計(jì)采用以STC89C52RC單片機(jī)作為核心微處理器，并配合一定數(shù)量的光敏電阻，熱釋電紅外傳感器，人體紅外傳感器，位置檢測器等集成紅外信號(hào)采集模塊，光照信號(hào)采集模塊，計(jì)數(shù)電路模塊，通過這些模塊的共同參與把數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后進(jìn)行反饋，從而實(shí)現(xiàn)智能照明的目的。

智能照明控制器整體設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的智能照明控制器，以人員出入信號(hào)作為輸入?yún)?shù)，并能根據(jù)室內(nèi)的具體光照強(qiáng)度對(duì)燈組進(jìn)行控制，同時(shí)該系統(tǒng)還加入了手動(dòng)控制以便人為的控制燈組，還可以根據(jù)教室內(nèi)具體人數(shù)控制要亮燈的數(shù)量。當(dāng)有人在教室時(shí)，人體紅外傳感器將信號(hào)發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)通過電路進(jìn)行采集光強(qiáng)信號(hào)，然后判斷教室是否需要開燈，若需要開燈，單片機(jī)通過繼電器來打開燈。另外在房間門內(nèi)外分別安裝一套信號(hào)模塊來判斷人進(jìn)入房間還是走出房間，以此來計(jì)數(shù)室內(nèi)人數(shù)，打開與之相對(duì)應(yīng)的燈光數(shù)量。熱釋電紅外傳感器作為該系統(tǒng)的人員位置檢測器。如果無人仍然需要燈光，可以打開手動(dòng)開關(guān)。并且該手動(dòng)系統(tǒng)不會(huì)影響系統(tǒng)程序的正常執(zhí)行。智能照明控制器總體框圖如圖1所示。

系統(tǒng)各部分設(shè)計(jì)方案

圖1 智能照明控制器總體框圖

信號(hào)采集部分主要分成三部分，分別為紅外信號(hào)采集，光信號(hào)采集和計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)，每個(gè)部分使用不同的傳感器進(jìn)行工作，保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和處理的正確性，對(duì)傳感器的安裝和放置也進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)。

紅外信號(hào)采集設(shè)計(jì)

本文針對(duì)教室環(huán)境進(jìn)行研究，利用熱紅外人體感應(yīng)檢測功能進(jìn)行室內(nèi)燈光控制。當(dāng)系統(tǒng)在環(huán)境中有人在場的時(shí)候，可以通過系統(tǒng)人體熱釋電紅外線控制來感應(yīng)環(huán)境中是否有人存在，以此決定被控制區(qū)域內(nèi)燈的開關(guān)情況。本設(shè)計(jì)采用熱釋電紅外傳感器，熱釋電紅外傳感器是一種新型敏感元件。熱釋電紅外傳感器是由一種廣譜材料制成，該傳感器的窗口還裝有一塊干涉濾波片，以此提高對(duì)某一波長范圍的紅外輻射的靈敏度。該濾波片只能通過特定的波長的紅外光，從而阻止燈光、自然光和其它波長紅外光通過。應(yīng)用熱釋電傳感器的主要優(yōu)勢(shì)是成本較低，不需要其他發(fā)射源，且有隱蔽性好、便于安裝、靈敏度高、控制范圍大的特點(diǎn)。熱釋電紅外傳感器利用熱釋電效應(yīng)，能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線，不僅能把其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，還能檢測到運(yùn)動(dòng)的生物和其他非生物，為了更清晰直觀的說明其工作原理，圖2為其工作原理。

圖2 熱釋電紅外傳感器工作原理

光照信號(hào)采集設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)利用數(shù)字式光照強(qiáng)度檢測模塊GY-30，作為光強(qiáng)數(shù)據(jù)采集傳感器，此模塊采用5v供電電源，光照強(qiáng)度采集范圍在0到65536lx之間，不區(qū)分環(huán)境光源，接近于視覺靈敏度的分光特性，測量精度可達(dá)到1lx，此模塊內(nèi)部集成了16位AD轉(zhuǎn)換器，之間輸出數(shù)字量，使數(shù)據(jù)處理計(jì)算簡單，同時(shí)電路簡單，節(jié)省資源。

本系統(tǒng)的研究以大學(xué)教室為例，教室內(nèi)一般都是單面窗戶，室內(nèi)不同的位置會(huì)受到不同的光照。光照傳感器的安裝要根據(jù)由窗戶到室內(nèi)的梯度來安裝，并且設(shè)定不同的光照閾值來控制開關(guān)燈的數(shù)量。若要相適應(yīng)的控制室內(nèi)燈光的強(qiáng)度，就必須把太陽光的因素考慮進(jìn)來。但是自然光的變化屬于非線性，不是人為可以控制的并且與建筑物和當(dāng)時(shí)的天氣狀況有相當(dāng)密切的聯(lián)系。所以必須合理布置光照度傳感器的位置，才能使采集的數(shù)據(jù)更貼近實(shí)際。當(dāng)自然光照滿足人們正常工作需求時(shí)，關(guān)閉燈具，當(dāng)自然光不足以滿足人們的視覺要求時(shí)，才開啟燈具。

計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)

所研究教室為單面窗，教室光照由窗到內(nèi)呈梯度下降，室內(nèi)的人數(shù)和所處位置決定了需要開燈的數(shù)量和位置，用紅外人體感應(yīng)傳感器完成室內(nèi)人數(shù)的統(tǒng)計(jì)，主要方法是將傳感器安裝在門的兩側(cè)，當(dāng)有人通過時(shí)，出和入使傳感器檢測的先后順序不同，通過該順序就可以判斷出人出入的狀態(tài)，通過計(jì)數(shù)裝置進(jìn)行加減就能統(tǒng)計(jì)出室內(nèi)人員的數(shù)量，并依此作為學(xué)生進(jìn)入教室和出教室的依據(jù)并統(tǒng)計(jì)人員數(shù)量。該計(jì)數(shù)電路采用了兩套信號(hào)裝置。一個(gè)安裝教室靠近門外的墻壁上，另一個(gè)安裝在教室門上方并且與地平行。

上述方法的檢測是在人體活動(dòng)規(guī)律合理的情況下，在小型室內(nèi)人數(shù)活動(dòng)較少的環(huán)境下比較適用，但在大型教室的人數(shù)統(tǒng)計(jì)上有很多弊端。尤其是教室作為一個(gè)比較隨機(jī)的場所，且人員流動(dòng)量大不好控制、人員相對(duì)集中并存在幾個(gè)人一起進(jìn)入教室的情況，這樣就會(huì)使傳感器只檢測一個(gè)人進(jìn)入，使計(jì)算的人數(shù)產(chǎn)生嚴(yán)重偏差。由此可見，這種方法對(duì)于大學(xué)教室的智能照明控制是有局限性的。

為了減小這些情況帶來的誤差，在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，將分為上課和自習(xí)兩種模式，上課時(shí)人員活動(dòng)集中，自習(xí)時(shí)相對(duì)單一容易檢測和計(jì)數(shù)。紅外人體感應(yīng)傳感器安裝在室內(nèi)多個(gè)位置進(jìn)行多點(diǎn)式檢測，從而檢測出人體活動(dòng)的規(guī)律，在在每個(gè)燈管的旁邊安裝紅外人體紅外傳感器，通過在菲涅爾透鏡上加阻擋物， 將每個(gè)傳感器的檢測范圍控制在燈具下方的座位區(qū)域， 且每個(gè)相鄰的燈具不存在重疊部分。從而可準(zhǔn)確的檢測到人的活動(dòng)方向，使人數(shù)的統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確無誤。

圖3 主程序流程圖

軟件設(shè)計(jì)

由于具體室內(nèi)的實(shí)際情況比較復(fù)雜，可分為多種不同的情況，應(yīng)考慮到各方面的需要。光照，人數(shù)，位置的種種因素都會(huì)對(duì)單片機(jī)的處理產(chǎn)生影響。本設(shè)計(jì)以學(xué)生教室為例，在初始化后，直接讀取采集的光強(qiáng)信號(hào)，需要根據(jù)室內(nèi)人數(shù)和具體位置進(jìn)行開燈的設(shè)計(jì)，通過熱釋電紅外傳感器檢測人體具體位置選擇性控制led燈組。主程序流程圖如圖3所示。

結(jié)束語

本文對(duì)智能照明控制器的控制部分進(jìn)行了研究，以自然光，人體為數(shù)據(jù)采集的標(biāo)準(zhǔn)和輸入信號(hào)，比傳統(tǒng)的人工管理更準(zhǔn)確和方便，從而降低人力和電的浪費(fèi)。本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)適應(yīng)于各類高校的大中小教室的燈具控制，并且對(duì)一些小型公司的照明管理也有相當(dāng)作用。在保證裝置能穩(wěn)定可靠工作的前提下，在硬件方面主要選擇性價(jià)比較高的從而降低成本。對(duì)于軟件我們采用多任務(wù)處理和多信號(hào)處理的原則，減少人力的控制，從而實(shí)現(xiàn)智能照明的目的。

智能照明系統(tǒng)對(duì)于我們所處的社會(huì)有著非常重要的意義，在以節(jié)約資源為宗旨的前提下進(jìn)行研究和開發(fā)，而且智能照明控制是低功耗，高效率，以及是生活科技化的有效體現(xiàn)。相信在不久的將來，智能照明系統(tǒng)將會(huì)得到更好的發(fā)展，并且逐漸取代人工照明系統(tǒng)，這在節(jié)省人力和資源方面的優(yōu)越性都得到了充分的體現(xiàn)。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.19.008